Troposfera

La temperatura de la troposfera generalmente disminuye a medida que aumenta la altitud., La velocidad a la que disminuye la temperatura, − D T / D z {\displaystyle-dT/dz} , se llama la velocidad de lapso ambiental (ELR). El ELR no es más que la diferencia de temperatura entre la superficie y la tropopausa dividida por la altura. El ELR asume que el aire está perfectamente quieto, es decir, que no hay mezcla de las capas de aire de la convección vertical, ni vientos que crearían turbulencia y por lo tanto la mezcla de las capas de aire., La razón de esta diferencia de temperatura es que el suelo absorbe la mayor parte de la energía del sol, que luego calienta los niveles más bajos de la atmósfera con la que está en contacto. Mientras tanto, la radiación de calor en la parte superior de la atmósfera resulta en el enfriamiento de esa parte de la atmósfera.

el ELR asume que la atmósfera está quieta, pero a medida que el aire se calienta, se vuelve flotante y se eleva., La tasa de lapso adiabático seco explica el efecto de la expansión del aire seco a medida que aumenta en la atmósfera y las tasas de lapso adiabático húmedo incluyen el efecto de la condensación de vapor de agua en la tasa de lapso.

Cuando una parcela de aire se eleva, se expande porque la presión es menor a altitudes más altas. A medida que la parcela de aire se expande, empuja el aire circundante hacia afuera, transfiriendo energía en forma de trabajo desde esa parcela a la atmósfera. Como la transferencia de energía a una parcela de aire a través del calor es muy lenta, Se supone que no intercambia energía a través del calor con el medio ambiente., Tal proceso se llama un proceso adiabático (sin transferencia de energía por medio de calor). Dado que la parcela de aire ascendente está perdiendo energía al trabajar en la atmósfera circundante y no se transfiere energía a ella como calor de la atmósfera para compensar la pérdida, la parcela de aire está perdiendo energía, lo que se manifiesta como una disminución en la temperatura de la parcela de aire. Lo contrario, por supuesto, será cierto para un paquete de aire que se está hundiendo y se está comprimiendo.,

dado que el proceso de compresión y expansión de una parcela de aire puede considerarse reversible y no se transfiere energía dentro o fuera de la parcela, dicho proceso se considera isentrópico, lo que significa que no hay cambio en la entropía a medida que la parcela de aire aumenta y cae, d s = 0 {\displaystyle dS=0} ., Dado que el calor intercambiado d Q = 0 {\displaystyle dQ=0} está relacionado con el cambio de entropía d s {\displaystyle dS} por d Q = T d s {\displaystyle DQ=TdS} , la ecuación que rige la temperatura en función de la altura para una atmósfera completamente mixta es

d S d z = 0 {\displaystyle {\frac {\,dS\,}{dz}}=0}

donde S es la entropía. La ecuación anterior establece que la entropía de la atmósfera no cambia con la altura. La velocidad a la que la temperatura disminuye con la altura en tales condiciones se llama la velocidad de lapso adiabático.,

para el aire seco, que es aproximadamente un gas ideal, podemos seguir adelante. La adiabática ecuación de un gas ideal es

p ( z ) − γ γ − 1 = constante {\displaystyle p(z){\Bigl }^{-{\frac {\gamma }{\,\gamma \,-\,1\,}}}={\texto{constante}}} d T d z = − m g R γ − 1 γ = − 9.8 ∘ C / k m {\displaystyle {\frac {\,dT\,}{dz}}=-{\frac {\;mg\;}{R}}{\frac {\;\gamma \,-\,1\;}{\gamma }}=-9.8^{\circ }\mathrm {C/km} }

Si el aire contiene vapor de agua, luego de enfriamiento del aire puede causar que el agua se condense, y el comportamiento ya no es el de un gas ideal., Si el aire está a la presión de vapor saturado, entonces la velocidad a la que la temperatura cae con la altura se llama la velocidad de lapso adiabático saturado. Más generalmente, la velocidad real a la que la temperatura cae con la altitud se llama la velocidad de lapso ambiental. En la troposfera, la tasa promedio de lapso ambiental es una caída de aproximadamente 6.5°C Por cada 1 km (1,000 metros) en altura aumentada.,

la tasa de lapso ambiental (la tasa real a la que la temperatura cae con la altura, d T / D z {\displaystyle dT/dz} ) no suele ser igual a la tasa de lapso adiabático (o, en consecuencia, d S / D z ≠ 0 {\displaystyle dS/DZ\neq 0} ). Si el aire superior es más cálido de lo predicho por la tasa de lapso adiabático ( d S / D z > 0 {\displaystyle dS/dz>0} ), entonces cuando una parcela de aire se eleva y se expande, llegará a la nueva altura a una temperatura más baja que su entorno., En este caso, la parcela de aire es más densa que su entorno, por lo que se hunde de nuevo a su altura original, y el aire es estable contra la elevación. Si, por el contrario, el aire superior es más frío de lo predicho por la tasa de lapso adiabático, entonces cuando la parcela de aire se eleva a su nueva altura tendrá una temperatura más alta y una densidad más baja que su entorno y continuará acelerando hacia arriba.

la troposfera se calienta desde abajo por calor latente, radiación de onda larga y calor sensible. El exceso de calentamiento y expansión vertical de la troposfera ocurre en los trópicos., En latitudes medias, las temperaturas troposféricas disminuyen de un promedio de 15°C (59°F) A nivel del mar a aproximadamente -55°C (-67°F) en la tropopausa. En los polos, la temperatura troposférica solo disminuye de un promedio de 0 ° C (32°F) al nivel del mar a aproximadamente -45°C (-49°F) en la tropopausa. En el ecuador, las temperaturas troposféricas disminuyen de un promedio de 20°C (68°F) A nivel del mar a aproximadamente -70°C a -75°C (-94 a -103°F) en la tropopausa. La troposfera es más delgada en los polos y más gruesa en el Ecuador., El espesor promedio de la troposfera tropical es aproximadamente 7 kilómetros mayor que el espesor troposférico promedio en los polos.

Tropopauseeditar

la tropopausa es la región límite entre la troposfera y la estratosfera.

La medición del cambio de temperatura con la altura a través de la troposfera y la estratosfera identifica la ubicación de la tropopausa. En la troposfera, la temperatura disminuye con la altitud. En la estratosfera, sin embargo, la temperatura permanece constante durante un tiempo y luego aumenta con la altitud., Esta capa más fría de la atmósfera, donde la velocidad del lapso cambia de positivo (en la troposfera) a negativo (en la estratosfera), se define como la tropopausa. Por lo tanto, la tropopausa es una capa de inversión, y hay poca mezcla entre las dos capas de la atmósfera.